DE60212806T2

DE60212806T2 - Motorhaube

Info

Publication number: DE60212806T2
Application number: DE2002612806
Authority: DE
Inventors: Freerk Bosma; Leonardus Petrus MORSINK; Joseph Hubert Antoon Maria Huibers
Original assignee: Nederlandse Organisatie voor Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek TNO
Current assignee: Nederlandse Organisatie voor Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek TNO
Priority date: 2001-02-26
Filing date: 2002-02-26
Publication date: 2007-02-01
Anticipated expiration: 2022-02-27
Also published as: US20040115426A1; JP2004533353A; ATE331612T1; KR20030083722A; EP1363768A1; CA2439458A1; DE60212806D1; NL1017451C2; WO2003004263A1; EP1363768B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Kraftfahrzeughauben, die ein Strukturmaterial enthalten, das ein Laminat aus wenigstens einer ersten und einer zweiten Materialschicht aufweist.
Ein solches Strukturmaterial ist im Stand der Technik bekannt. Das Konferenzpapier "Concept of hood design for possible reduction in pedestrian head injury" beschreibt ein Laminat, insbesondere zum Bilden einer Haube eines Autos. Dieses Konferenzpapier wurde bei der "The 14^th international Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles", München, 23–26 Mai 1994 präsentiert.
Gemäß der oben genannten Veröffentlichung ist es vorteilhaft, das Laminat aus einem Basismaterial, beispielsweise Stahl, das am Boden mit einer elastischen, weichen Schaumschicht beschichtet ist, aufzubauen.
Beim Fahrzeugbau sind Automobilhersteller daran gebunden, das sogenannte Kopfverletzungskriterium (Head Injury Criterion – HIC) zu berücksichtigen, wenn eine Haube für ein Auto entworfen wird. Das HIC gibt einen Anhaltspunkt für das Verletzungsrisiko, das sich infolge der Abbremsung des Kopfes eines Menschen ergibt, die in dem Moment auftritt, wenn die Person von einem Auto angefahren wird und mit seinem Kopf auf die Oberfläche der Haube trifft. Dieses HIC ist wie folgt definiert:
In dieser Gleichung bildet das Intervall t₁ – t₂ das Intervall, über das die Abbremsung des Kopfes eines Menschen gemessen wird. Dieses Intervall ist so gewählt, dass die maximale Ab bremsung und daher die maximale Belastung des Kopfes des Menschen bestimmt wird.
Es ist bekannt, dass der Kopf eines Menschen sehr großen Beschleunigungen während eines kurzen Zeitintervalls ausgesetzt sein kann, ohne dass unbedingt permanente Schäden im Kopf auftreten. Nach dieser kurzen Periode mit einer hohen Abbremsung muss die Abbremsung jedoch auf einen viel kleineren Wert zurückkehren. Wenn das nicht geschieht, steigt das Verletzungsrisiko.
Im Stand der Technik wird gefordert, dass an jeder Stelle auf der Haube der HIC-Wert kleiner als 1.000 ist. Die Gleichung zeigt, dass es vorteilhaft ist, wenn die Abbremsung über das längst mögliche Zeitintervall verteilt wird. In der Praxis bedeutet dies, dass sich während dieses langen Zeitintervalls eine Haube unter der Last an dem Kopf verformen kann.
Wenn das Zeitintervall, über das sich die Haube deformieren kann, lang ist, ist die damit verbundene Deformation der Haube ebenfalls groß. In Bezug auf die Struktur erfordert dies einen großen offenen Raum zwischen der Haube und darunterliegenden Teilen des Autos. Es ist klar, dass für diesen offenen Raum ein Maximum angesetzt werden muss. Je größer dieser offene Raum sein muss, desto weniger günstig ist es für das Gesamtdesign des Autos, zum Beispiel unter dem Gesichtspunkt der Aerodynamik und der Gestaltungsfreiheit, wenn die verschiedenen Motorteile entworfen werden.
Unter Strukturgesichtspunkten wäre es ideal, die Haube aus einem Material mit relativ hoher Steifigkeit während der ersten Deformation der Haube herzustellen. Wenn ein Kopf eines Menschen auf eine solche Haube aufschlägt, kann der Kopf für ein spezifisches Zeitintervall zu einer starken Abbremsung gezwungen sein. Im Idealfall sollten sich die Materialeigenschaften der Haube dann ändern, um der Haube eine deutlich größere Flexibilität über ein nächstes Zeitintervall zu geben und um zu bewirken, dass die Abbremsung des Kopfes des Menschen zu einem viel weniger hohen Wert zurückkehrt.
Mittels der Struktur, die aus dem oben diskutierten Konferenzpapier bekannt ist, wird ein Versuch unternommen, um den Kopf eines Menschen soweit wie möglich aufzufangen und ihn in der bestmöglichen Weise auf den unter der Haube liegenden Motor zu richten. Die Materialeigenschaften der Haube nach dem oben beschriebenen Dokument sind jedoch während der Deformation der Haube konstant. Das bedeutet, dass mit dem Laminat gemäß dem Konferenzpapier immer noch ein Kompromiss gesucht werden muss zwischen einerseits einem größtmöglichen Bereich, über den der Kopf abgebremst werden kann, und andererseits einen kleinstmöglichen Bereich, um so die Gestaltungsfreiheit bei der Gestaltung des Autos nicht zu stark einzuschränken.
Ein geschichtetes Strukturmaterial für eine Autokarosserie ist ferner aus JP-A-06023775 bekannt. Das Material ist aus einem Gussstück aus SMC (Sheet Mold Compound) aufgebaut, das mit einer Metallfolie beschichtet ist. SMC ist aus langen Fasern eingeschlossen in einem Matrixmaterial aufgebaut. SMC ist daher ein relativ widerstandsfähiges Material, das, wenn es mit Metallfolie beschichtet ist, dazu geeignet ist, metallische Autokarosserieteile zu ersetzten, da dieses Material eine relativ große Steifigkeit hat.
Aus JP-A-01135860 ist es bekannt, dass eine für eine relativ lange Zeit lagerbare Stahlplatte, aus Gründen der Erhöhung ihrer Steifigkeit, mit einer Epoxydharzbeschichtung beschichtet wird, die unter anderem SPR, NBR, IIR, ein Aushärtemittel, ein Füllmaterial und Glaspartikel enthält.
Im Hinblick auf das oben Geschilderte ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kraftfahrzeughaube mit einem Strukturmaterial bereitzustellen, bei der die Nachteile der Materialien nach dem Stand der Technik möglichst weitgehend vermieden werden, d.h. bei der ein Optimum zwischen dem Maß der Abbremsung und dem Grad der Einbeulung erreicht werden kann.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst, wenn das Laminat eine Basisschicht aus einem relativ flexiblen Material aufweist, wie etwa Stahl oder Aluminium, wobei diese Schicht mit einer unterstützenden Schicht aus relativ sprödem Material beschichtet ist.
Zur Klarstellung wird angemerkt, dass in dem vorliegenden Text der Ausdruck "sprödes Material" sich auf ein Material bezieht, das entweder bricht, wenn es eine spezifische Spannung überschreitet, oder dessen Steifigkeit stark abnimmt, wenn eine spezifische maximale Dehnung überschritten wird, zum Beispiel ein Material mit Eigenschaften wie in 5 und 6 gezeigt. Die maximale Dehnung ist beispielsweise die Elastizitätsgrenze des Materials.
Durch die oben beschriebene Maßnahme wird sichergestellt, dass die Haube der Erfindung eine erste Steifigkeit eines relativ hohen Wertes über einen ersten Deformationsbereich hat. Weil das Material diese Steifigkeit hat, ist es dazu in der Lage, über einen ersten Bereich eine relativ große Abbremsung auf ein auftreffendes Objekt auszuüben, wie etwa den Kopf eines Menschen.
Zu dem Moment, wenn eine Maximaldehnung überschritten wird, wird das spröde unterstützte Material entweder brechen oder seine Steifigkeit wird plötzlich abnehmen. Das bedeutet, dass nach Überschreiten dieser Maximaldehnung des unterstützenden Materials das Material einen zweiten Deformationsbereich zeigen wird, in dem die Steifigkeit des Materials geringer als über den ersten Deformationsbereich ist.
Durch die Kombination eines relativ flexiblen, zum Beispiel biegsamen, Basismaterials und des relativ spröden unterstützenden Materials wird im Wesentlichen sichergestellt, dass während der Deformation des Strukturmaterials die Materialeigenschaften des Strukturmaterials von dem Grad der Deformation abhängen.
Durch Verwenden des Strukturmaterials in einer Haube gemäß der Erfindung kann sichergestellt werden, dass auf den Kopf eines Menschen über einen ersten Bereich eine relativ große Abbremsung erzwungen wird. Wenn eine spezifische Deformation einer Haube überschritten wird, wird das spröde Material entweder brechen oder seine Steifigkeit verlieren. Danach wird eine viel kleinere Abbremsung auf den Kopf in einem zweiten Deformationsbereich ausgeübt. Die Basisschicht verformt sich plastisch, was eine Belastung des Kopfes infolge eines Zurückspringen des Laminats verhindert. Das bedeutet, dass durch die Haube der vorliegenden Erfindung die Aufgabe der vorliegenden Erfindung im Wesentlichen gelöst wird.
Gemäß der Erfindung ist es vorteilhaft, dass die Steifigkeit der unterstützenden Schicht stark abnimmt, wenn die Spannung über die Elastizitätsgrenze des Materials der unterstützenden Schicht ansteigt. Es ist möglich, dass diese unterstützende Schicht BMC aufweist (BMC: Bulk Mold Compound).
Neben dem oben beschriebenen Basismaterial und dem unterstützenden Material kann das Strukturmaterial in der Haube gemäß der Erfindung auch eine Füllschicht umfassen, die zwischen der Basisschicht und der unterstützenden Schicht angeordnet ist. Diese Füllschicht kann zum Beispiel PVC-Schaum aufweisen. Die Aufgabe dieser Schicht besteht darin, einen Abstand zwischen der Basisschicht und der unterstützenden Schicht herzustellen. Das kann auch dadurch erreicht werden, dass das unterstützende Material mit einer Kontur versehen wird.
Wie beschrieben wird das Strukturmaterial in einer Haube gemäß der Erfindung verwendet. Dabei ist es von Vorteil, dass die Basisschicht Stahl mit einer Dicke von 0,6 bis 2,0 mm, vorzugsweise 0,6 bis 0,9 mm, besonders bevorzugt 0,7 mm, aufweist oder dass die Basisschicht Aluminium mit einer Dicke von 1,0 bis 2,0 mm, vorzugsweise 1,0 bis 1,5 mm, besonders bevorzugt 1,2 mm, aufweist.
Es ist weiter möglich, dass die unterstützende Schicht eine Dicke von 0 bis 10 mm, vorzugsweise 1 bis 3 mm, besonders bevorzugt von 2 mm, aufweist.
Die unterstützende Schicht kann zum Beispiel aus einem Kompositmaterial hergestellt sein, das in einer Form hergestellt wird, wobei die unterstützende Schicht an der Basisschicht mittels von, beispielsweise, Epoxydharz befestigt wird. Es ist daher möglich, dass die Schichtdicke der unterstützenden Schicht über die Oberfläche der Haube variiert.
Durch Variieren der Dicke der unterstützenden Schicht über die Oberfläche der Haube können bestimmten Stellen der Haube spezifische Materialeigenschaften gegeben werden. Das bedeutet, dass an Stellen, wo beispielsweise das Material der Basisschicht gebogen ist (und daher weniger flexibel ist) die darunterliegende unterstützende Schicht dünner gestaltet sein kann oder sogar ganz fortgelassen werden kann.
Wie dargestellt ist es gemäß dem Stand der Technik notwendig, dass an jeder Stelle auf der Haube der HIC-Wert geringer als 1000 ist. Das bedeutet, dass diese Forderung auch für den Übergang besteht, der zwischen der Haube und den daneben liegenden Kotflügeln liegt. Durch Integrieren der Kotflügel, wenigstens an ihren oberen Enden, mit der Haube kann sichergestellt werden, dass der HIC-Wert tatsächlich kleiner als der oben genannte Wert von 1000 ist.
Die Erfindung wird nun detaillierter mit Bezug auf die zugehörigen Figuren beschrieben, in denen:
1 eine mögliche Gestaltung einer Haube gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 den Aufbau des Strukturmaterials zeigt, das in einer Haube gemäß der Erfindung mit einer Basisschicht und einer unterstützenden Schicht verwendet wird;
3 das Strukturmaterial zeigt, das in einer Haube gemäß der Erfindung verwendet wird, bei dem eine Füllschicht zwischen der unterstützenden Schicht und der Basisschicht angeordnet ist;
4, 5 und 6 die Beziehung zwischen Spannung und zugehöriger Dehnung eines Materials zeigen, das vorzugsweise als unterstützende Schicht für das Strukturmaterial für eine Haube gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
7 eine mögliche Anordnung zum Testen des Strukturmaterials, das in einer Haube gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, zeigt;
8 zeigt ein Diagramm der Eigenschaften des Strukturmaterials, das in einer Haube gemäß der Erfindung verwendet wird und in der Anordnung aus 7 getestet wird; und
9a, 9b, 9c und 9d in Form von Diagrammen die Resultate von mit der Anordnung aus 7 durchgeführten Tests zeigen.
1 zeigt eine Haube 1, die aus einem Strukturmaterial aufgebaut ist. Wie mit Bezug auf 2 und 3 diskutiert werden wird, weist das Strukturmaterial der Haube eine Basisschicht aus, beispielsweise, Stahl, und ein unterstützende Schicht aus, beispielsweise, einem Kompositmaterial auf. Die Haube aus 1 umfasst einen ersten zentralen Teil, der in Benutzung den Motor an der Oberseite bedeckt. Der zentrale Teil 2 wird zu beiden Seiten durch Seitenteile 3 verlängert, die sich in der Anwendung wesentlich in vertikaler Richtung erstrecken und die Kotflügel eines Autos bilden. Das zentrale Teil 2 schließt an dem Rand 4 an der Windschutzscheibe eines Autos an. In dem zentralen Teil sind weiter Öffnungen vorgesehen, um beispielsweise eine Beleuchtungseinheit aufzunehmen.
2 zeigt schematisch den Aufbau des Strukturmaterials, das in einer Haube gemäß der Erfindung verwendet wird. Das Strukturmaterial umfasst eine Basisschicht 10, beispielsweise aus Stahl gebildet. Die Stahlbasisschicht kann leicht verformt werden und kann außerdem in herkömmlicher Weise mit Schutzschichten wie Lacken etc. endbearbeitet werden. An der Unterseite dieser Basisschicht befindet sich eine unterstützende Schicht 11. Der besondere Aspekt dieser unterstützenden Schicht liegt darin, dass sie aus sprödem Material hergestellt ist. Wenn eine Kraft auf das Material 10, 11 ausgeübt wird, verformt sich das Material. Über einen ersten Deformationsbereich wird der Widerstand gegenüber einer Durchbiegung durch die Materialeigenschaften sowohl der Basisschicht 10 als auch der unterstützenden Schicht 11 bestimmt. Wenn ein bestimmtes Maß an Deformation überschritten wird, bricht das spröde Material entweder oder verliert seine Steifigkeit. Das bedeutet, dass von diesem Moment an, die Materialeigenschaften im We sentlichen des Basismaterials 10 den weiteren Widerstand gegen Durchbiegung über den Deformationsbereich bestimmen.
3 zeigt eine alternative Ausführungsform des Strukturmaterials, das in einer Haube gemäß der Erfindung verwendet wird. Neben dem Basismaterial 10 und dem spröden Material 11 weist das Material gemäß der Ausführungsform aus 3 auch ein Füllmaterial 12 auf. Dieses Füllmaterial wird beispielsweise durch PVC-Schaum gebildet oder durch eine Konturierung an dem unterstützenden Material.
4, 5 und 6 zeigen das Verhältnis zwischen der Spannung und der damit einhergehenden Dehnung eines Materials, das besonders als unterstützendes Material 11 geeignet ist. Das Material hat die Bezeichnung BMC (Bulk Mold Compound). Das Material enthält 5 Gew.-% Glasfasern mit einer Länge von 6 mm. Das Material enthält weiter einen erheblichen Anteil an Mineralien (Kalk). Die Dichte des Materials ist 1800. Das Material hat eine Streckgrenze von 34 MPa. 4 zeigt, dass, wenn die Spannung die Streckgrenze überschreitet, die Steifigkeit des Materials rapide abfällt.
5 zeigt ein Bild ähnlich dem aus 4. Die Streckgrenze des Materials ist bei 34 MPA. Die zugehörige Deformation ist beispielsweise 0,31%. Die spezifische Festigkeit hängt von der gewählten Materialdicke ab.
6 zeigt das Verhalten des Materials unter Kompressionsspannung.
Die Anmelderin hat mit dem Strukturmaterial, das in einer Haube gemäß der Erfindung verwendet wird, Experimente durchgeführt. Die von der Anmelderin verwendete Anordnung ist in 7 dargestellt. 7 zeigt einen sogenannten Aufpralltester 30. Der Aufpralltester 30 umfasst einen Rahmen 31, in dem ein Teststück eingespannt werden kann. Der Tester weist ferner eine sogenannte "Kopfform" auf. Diese Kopfform ist eine frei bewegliche Masse mit einem Gewicht von 4,8 kg, das den Kopf eines erwachsenen Menschen simuliert. Die von der Anmelderin verwendete Anordnung entspricht den Anforderungen der europäischen Arbeitsgruppe 17 des Komitees für erhöhte Fahrzeugsicherheit. Die Kopfform wird durch einen Zylinder 33 in Richtung des Teststücks 35 bewegt. Die Geschwindigkeit, mit der – das geschieht, ist 11,1 m/s. Ein Überblick über die von der Anmelderin durchgeführten Tests ist in Tabelle 1 unten enthalten.
8 zeigt schematisch die Resultate der mit der Anordnung aus 7 durchgeführten Tests. Die gepunktete Linie zeigt das Profil der Abbremsung eines Kopfes, das zur Zeit als das Vorteilhafteste für einen Menschen angesehen wird. Die durchgezogenen Linie zeigt das Profil, das mit dem Material erhalten wird, das in einer Haube gemäß der Erfindung verwendet wird.
9a, 9b, 9c und 9d zeigen weiter in Form von Diagrammen die Resultate von Experimenten, die mit der Anordnung aus 7 durchgeführt wurden. Die Tabelle oben zeigt die Eigenschaften der verschiedenen Materialzusammensetzungen, die in dem Experiment getestet wurden.

Claims

Kraftfahrzeughaube mit einem Strukturmaterial, das ein Laminat aus wenigstens einer ersten und einer zweiten Materialschicht aufweist, wobei das Laminat eine Basisschicht aus einem relativ flexiblen Material aufweist, wobei die Basisschicht mit einer unterstützenden Schicht versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die unterstützende Schicht aus relativ sprödem Material ist, so dass das Strukturmaterial unter der Biegebelastung eines auf die Haube treffenden Kopfes eines Menschen während eines ersten Deformationsbereichs eine erste Steifigkeit hat bis eine maximale Spannung in der unterstützenden Schicht überschritten wird, und eine zweite, geringere Steifigkeit während eines zweiten Deformationsbereichs hat, wodurch erst eine hohe Abbremsung und daraufhin eine niedrigere Abbremsung des Kopfes bewirkt wird, um Verletzungen während des Aufpralls zu begrenzen.
Kraftfahrzeughaube nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steifigkeit der unterstützenden Lage stark abnimmt, wenn die Spannung über die elastische Grenze des Materials der unterstützenden Lage ansteigt.
Kraftfahrzeughaube nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das unterstützende Material BMC (Bulk Molding Compound) aufweist.
Kraftfahrzeughaube nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Basisschicht und der unterstützenden Schicht eine Füllschicht angeordnet ist, um den Abstand zwischen der Basisschicht und der unterstützenden Schicht zu vergrößern.
Kraftfahrzeughaube nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisschicht Stahl mit einer Dicke von 0,6 mm bis 2,0 mm, vorzugsweise 0,6 mm bis 0,9 mm, besonders bevorzugt 0,7 mm, aufweist.
Kraftfahrzeughaube nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die unterstützende Schicht eine Dicke von 0 bis 10 mm, vorzugsweise 1 bis 3 mm, besonders bevorzugt von 2 mm hat.
Kraftfahrzeughaube nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der unterstützenden Schicht entlang der Oberfläche des Fahrzeugkarosserieteils variiert.
Fahrzeug mit einer Motorhaube gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
Fahrzeug nach Anspruch 8, wobei Kotflügel, zumindest an ihrem oberen Ende, mit der Motorhaube zusammengefasst sind.
Verwendung eines Strukturmaterials zum Herstellen einer für Fußgänger sicheren Kraftfahrzeughaube wie in Anspruch 1 definiert, wobei das Strukturmaterial ein Laminat aus wenigstens einer ersten und einer zweiten Materialschicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Laminat eine Basisschicht aus relativ flexiblem Material, wie beispielsweise Stahl oder Aluminium, aufweist, wobei die Basisschicht mit einer unterstützenden Schicht aus sprödem Material versehen ist.